稀土Er离子掺杂的硅基SiO2-Al2O3-Y2O3纳米复合栅层MOS结构电致发光器件的研究

Highly efficient silicon light emitting devices are promising for optical interconnect and optoelectronic industry. Silicon based MOS infrared electroluminescence devices (MOSLED) will be prepared by atomic layer deposition technology. The luminescent nanolaminate gate oxide layers are prepared by precise alignment of traditional Er-doped SiO2, Al2O3 and Y2O3 optical amplifier materials with good hot electron transportation, high refractive index, and high concentration rare earth doping properties, respectively. Highly efficient silicon based MOS infrared light emitting devices will be developed by hot electron excitation mode.The study of this project concerns the influence of crystalline field of the neighboring atomic layers on the luminescent efficiency and decay time, the influence of the periodic band gap structures in the nanolaminates on the electron transport properties，such as leakage current, hot electron injection, dielectric breakdown and charge trapping. Band gap engineering will be made on the hot electron transport layer and rare earth doping layer, leading the hot electrons impact excitation of the the Er ions in a multiple step cascade mode. Silicon based MOSLEDs will be obtained with quantum efficiency above 15%, forming a new research area in the silicon light emitting devices using traditional optical materials, forming a base for the development of silicon integrated lasers.

高效率硅基电致发光器件的研究对于光互联和光电子芯片产业的发展具有重要意义。本项目用原子层沉积方法在硅衬底上制备稀土Er离子掺杂的SiO2-Al2O3-Y2O3纳米层状复合结构发光栅层，把分别具有强过热电子输运能力、高浓度稀土离子掺杂性和高折射率的传统硅基光增益材料以原子层为单位有序组合起来，研制适合电注入过热电子激发的高效率硅基MOS结构红外发光器件。研究复合材料中稀土离子周围近邻原子层晶体场变化对其发光效率和弛豫时间的影响；研究周期性能带结构变化对MOS器件过热电子注入、漏电流、击穿、电荷俘获等电输运性质的影响；用能带工程方法分层独立优化调控导带过热电子输运层和发光层的能带结构和掺杂环境，使导带过热电子能够像级联瀑布一样输运，通过多次碰撞激发稀土离子，获得外量子效率高于15%的红外电致发光。使传统的光增益材料成为硅基电致发光研究领域新的增长点，为下一步研制硅基激光器打好基础。

利用原子层沉积技术构建透明导电薄膜、high-k复合介质薄膜、稀土掺杂氧化物薄膜构成的硅基MOS结构复合薄膜电致发光器件，获得了高效率电致发光，对其I-V特性和电致发光性能进行分析研究。制备TiO2/Al2O3纳米层状结构high-k纳米复合薄膜，利用TiO2/Al2O3原子层周期比率的变化调控介电常数，获得了击穿场强大于4MV/cm，介电常数为17-25，注入电流密度大于100mA/cm2的纳米层状复合薄膜，使电致发光器件的注入电流密度由10-5提升到10-1A/cm2，发光强度提高四个量级，寿命提高三个量级。控制稀土掺杂周期间隔和近邻共掺杂原子层,调控发光离子的局部晶体场环境，实现Er离子的高浓度掺杂和高效率发光。掺杂层厚度在0.4Å以下时，Er3+离子交叉弛豫作用较弱；Er2O3的间隔层厚度小于3 nm时，Er掺杂层之间发生相互作用。Al2O3:Er器件在发光层厚度为100nm，Al2O3间隔层为1nm时，外量子效率达到30%以上，是目前已报道的硅基电致发光器件的最高水平。发光层厚度为100 nm时，Al2O3:Yb和Yb2O3:Er电致发光器件的最高量子效率分别为1.80%和8.5%。Yb2O3在退火温度大于1000 ℃时转变为Yb2Si2O7相，以此制备的Yb2Si2O7:Er电致发光器件，发光中心波长为1528nm。Y2O3和Al2O3:Er在1100℃-1150℃退火温度下形成钇铝石榴石结构Y3Al5O12:Er，相变导致铒离子基态能级的stack劈裂，出现1470、1531、1570、1610和1645 nm的发射峰，主峰1531 nm处的峰形收窄。优化复合发光栅层纳米周期结构中的导带过热电子输运和稀土离子周围的掺杂环境，进一步提高器件的发光性能。制备的AxOy:(BxOy-Er-BxOy)复合共掺结构电致发光器件表现出更为优异的发光性能和更高的量子效率。SiO2:(Al2O3-Er2O3-Al2O3)器件发光效率达到13.8%，相比于Al2O3:Er的10.2%（50 nm），提高35%。(Al2O3-Y2O3):Er2O3 器件的发光效率提高到18%（100 nm）。Al2O3:(Yb2O3-Er2O3-Yb2O3)掺杂结构中受激Yb离子将能量传递给中间Er2O3夹层，复合共掺杂结构相较于单层介质结构的器件，外量子效率提升了50%。